Energiatermel�s a csillagokban

A csillagok olyan �gitestek, melyek belsej�ben saj�t t�meg�kbõl kifoly�lag akkora nyom�s �s hõm�rs�klet uralkodik, hogy ott a k�r�lm�nyek kedveznek a termonukle�ris reakci�k lezajl�s�nak. A Vil�gegyetemben a l�that� anyag nagyr�sze csillagok form�j�ban van jelen. A f�zi�s reakci�k sor�n a csillagok belsej�ben egyre nehezeb atommagok �p�lnek fel energia felszabadul�sa mellett - ez t�pl�lja az objektum sug�rz�s�t. A "Csillagok keletkez�se" c�mû fejezetben v�gigk�vethetõ, milyen folyamatok r�v�n j�nnek l�tre a csillagok. A kialakul�sukn�l �sszeh�z�d� �s forr�sod� felhõ idõvel olyan energiatermel�ssel fog rendelkezni, amelynek r�v�n egyens�lyi �llapotba jut. �let�nek nagyr�sz�t, k�zel 90%-�t ilyen egyens�lyi �llapotban t�lti minden csillag, ezalatt hidrog�n atommagokb�l helium atommagokat �p�t fel, ezt nevezik fõsorozati �llapotnak. Ennek a szakasznak a hossza a csillag t�meg�tõl f�gg: min�l nagyobb a t�mege, ann�l magasabb hõm�rs�klet uralkodik centrum�ban �s ann�l gyorsabban fogyasztja �zemanyag�t. A 10 napt�megû csillagok �lettartama p�ld�ul n�h�nyszor 10-100 milli� �v, Napunk� kb. 10 milli�rd �v, a 0,5 napt�megû csillagok ak�r 20-30 milli�rd �vig is �lhetnek.

A csillag belsej�re k�lsõ r�tegei hatalmas nyom�ssal nehezednek. A nagy nyom�s �s hõm�rs�klet k�vetkezt�ben az anyag szabad elektronok �s atommagok kever�k�re bomlik, ioniz�lt �llapotba ker�l, ezt nevezz�k plazm�nak. Az atommagok a heves hõmozg�s k�vetkezt�ben nagysebess�ggel �tk�znek egym�snak, �s idõnk�nt �sszetapadnak: f�zi�s reakci�kat hoznak l�tre. Ehhez rendk�v�l heves hõmozg�s, azaz rendk�v�l magas hõm�rs�klet kell, ez�rt csak a csillag k�zponti tartom�ny�ban, a magban zajlanak. A csillagokban is, mint a Vil�gegyetemben mindenhol a hidrog�n a leggyakoribb elem, �gy �let�k legnagyobb r�sz�ben hydrogen atommagokb�l h�lium atommagokat �p�tenek fel. A folyamat sor�n n�gy proton (azaz n�gy hidrog�n atommag) hoz l�tre k�t protonb�l �s k�t neutronb�l �ll� h�lium atommagot. A reakci� l�nyege, hogy a n�gy alkot�r�sz t�mege k�l�n-k�l�n nagyobb, mint a keletkezett atommag teljes t�mege. A kettõ k�z�tti k�l�nbs�g a t�megdefektus, a k�t�si energia - ez az ami a f�zi� sor�n felszabadul. (Amennyiben visszafel� akarjuk j�tszani a reakci�t, �s alkot�ira szeretn�nk sz�tv�lasztani a h�lium atommagot, energi�t kell befektetn�nk - amennyit az egyes�t�s sor�n kaptunk - ez pedig megn�veli az egyes r�szecsk�k reakci� ut�ni t�meg�t.)

4 db H atommag t�mege k�l�n-k�l�n: 6,694x10^-24 g

1 db He atommag t�mege: 6,645x10^-24 g

K�l�nbs�g: 4,82x10^-26 g

T�megdefektus: 0,7%

Az eredeti t�meg 0,7%-a szabadul fel energia form�j�ban, ez a csillag sug�rz�s�nak forr�sa. T�bbf�le energiatermelõ folyamat j�tsz�dik le a fõsorozati csillagok belsej�ben, ezek k�z�l a k�t legfontosabbat ismertetj�k az al�bbiakban.

Proton-proton reakci�: Ebben a folyamatban elsõ l�p�sk�nt k�t proton kapcsol�dik �ssze, amihez 10^-13 cm-re kell meg k�zel�teni�k egym�st - a nukleonokat �sszetart� magerõ ugyanis ilyen t�vols�gban k�pes legyõzni a k�t azonos t�lt�sû proton k�z�tt fenn�ll� elektrom�gneses tasz�t�st.

A protonok �tk�z�se a tasz�t�s miatt �ltal�ban rugalmas, csak nagyon ritk�n ker�lnek annyira k�zel egym�shoz, hogy �sszetapadjanak. (Mivel a csillag belsej�ben hatalmas mennyis�gû anyag tal�lhat�, egyetlen m�sodperc alatt is rendk�v�l sok �sszekapcsol�d�s j�n l�tre.) Ilyenkor egy deut�riummag keletkezik, az egyik proton ugyanis egy pozitron �s egy neutr�n� kibocs�t�sa k�zben neutronn� alakul. Az elt�voz� pozitron egyes�l egy elektronnal �s elektrom�gneses sug�rz�s keletkezik. A k�vetkezõ l�p�sben a deut�riummag egy harmadik protonnal tal�lkozik, amelyet mag�ba �p�t, �s He3 izot�pot hoz l�tre elektrom�gneses sug�rz�s kibocs�t�sa k�zben. Ezut�n �ltal�ban egy mag�hoz hasonl� He3 izot�ppal l�p k�lcs�nhat�sba, �s egy n�gyes t�megsz�m� h�liummag j�n l�tre, k�t proton felszabadul�s�val. Egy h�liummag keletkez�se sor�n 4,1x10^-5 erg (26,2 MeV) energi�val lesz gazdagabb a csillag. (Az energia egy r�sz�t a neutr�n�k elviszik.)

Sz�n-nitrog�n ciklus: Ennek sor�n ugyancsak h�lium atommagok keletkeznek de sz�n �s nitrog�n kataliz�tor k�zremûk�d�s�vel. Egy C12 mag �s egy proton �tk�z�sekor elektrom�gneses sug�rz�s keletkezik, �s egy N13 atommag j�n l�tre. Ez azonban nem stabil, �s egy positron valamint egy neutr�n� kibocs�t�s�val C13 izot�pp� alakul. A positron elektronnal tal�lkozva sug�rz�s form�j�ban megsemmis�l. A C13 mag egy protonnal val� �tk�z�s ut�n N14 magg� alakul elektrom�gneses sug�rz�s kibocs�t�sa k�zben. A nitrog�nmag egy tov�bbi protonnal �tk�zve instabil O15 magg� alakul, ism�t elektrom�gneses sug�rz�s kibocs�t�s�val. Ezut�n az O15 mag N15 magra, �s egy pozitronra valamint egy neutr�n�ra esik sz�t. Majd az N15 mag protonnal tal�lkozik �s C12 mag, valamint He4 keletkezik belõle. A neutr�n�k energi�j�nak figyelembev�tele n�lk�l 4x10^-5 erg (25 MeV) energia szabadul fel egy h�lium atommag kialakul�sa sor�n.

A fõsorozati csillagokban mindk�t reakci� folyik. Az, hogy a kettõ k�z�l melyik zajlik le nagyobb sz�mban, a csillagban uralkod� hõm�rs�klettõl f�gg - ez pedig a csillag t�meg�tõl. A kisebb t�megû csillagokban a proton-proton reakci� r�v�n, a nagyobb t�megûekben a sz�n-nitrog�n ciklus �ltal szabadul fel t�bb energia. K�zponti csillagunk belsej�ben 14-15 milli� fok uralkodik, �gy itt a proton-proton reakci� domin�l, azonban a Napn�l nem sokkal nagyobb t�megû �gitestekn�l m�r a sz�n-nitrog�n ciklus veszi �t a fõszerepet.

A csillag a fõsorozaton stabil �llapotban, mechanikai �s termikus egyens�lyban van. A csillag belsej�ben uralkod� nyom�s a g�znyom�sb�l �s a sug�rnyom�sb�l (a sug�rz�s form�j�ban felszabadul� energi�b�l) tevõdik �ssze. Az esetleges t�l nagy energiafelszabadul�s kinyomja a k�lsõ r�tegeket, megn�veli a mag t�rfogat�t. Ennek k�vetkezt�ben cs�kken a f�zi�s reakci�k sz�ma �s �gy a belsõ nyom�s is, ekkor �ssz�bb h�z�dik a csillag. A folyamat egyens�lyban tartja az �gitestet, ez�rt a csillagok �nszab�lyoz� termonukle�ris reaktoroknak is tekinthetõk. A csillag anyaga termikus egyens�lyban is van. A belsej�ben felszabadul� energi�nak egyenlõnek kell lennie a vil�gûrbe kisug�rzott energi�val, �s nem lehetnek benne olyan tartom�nyok, amelyek �lland�an melegedn�nek vagy hûln�nek.